物联网网关多系统(物联网消防报警网关)

 

引 言

近年来，随着物联网技术的发展以及在各个行业应用的逐步深化，在社区安全建设中引入物联网技术，增强社区消防管理能力，提升社区应对各种险情的实时性、连续性和高效性已成为工业界、学术界研究的热点。智慧社区概念应运而生，通过运用物联网技术为我们的社区带来安全、舒适和便捷的生活环境 [1]。由于我国每年都会发生多次火灾，原因大多为消防设备老化、监控人员管理疏忽、报警信息处理不及时等，给社会和人民带来了无法弥补的损失 [2-3]。传统的消防监控系统一般在建设时过于依赖特定的场景，其用户、消防设备以及监管部门只能对所在场景的系统进行管理，无法实现社区中多场景、多系统的交互和共享。

针对上述情况，文中设计和研发了一种能够为社区安全提供管理的系统平台。基于 XFire 将物联网技术应用到消防设备传感器中，使得每个消防传感器能够互连通信， 最终实现多个消防平台之间的交互，移动终端与 PC 终端的交互以及通用接口底层传感器硬件与软件平台交互的消防平台。用户可随时查看消防设备情况，监控、统计以及控制消防设备 [4-5]。系统主要功能包括消防传感器随时接入与退出该平台， 实时地图定位功能，消防传感器控制，传感器数据分享，安全、可靠、及时的数据显示，支持移动终端访问，可及时获取火灾情况，传感器数据分析等。

1 平台整体设计

根据系统功能需求，结合物联网技术，利用 B/S 模式构建一个为社区服务的消防监控信息服务平台，能够实时监控社区消防安全，远程控制传感器节点，实现实时数据传输、实时数据显示、即接入即使用、远程控制设备和智能火灾报警。

1.1 平台整体架构

根据平台各部分功能要求，将平台架构分为用户访问层、应用服务层和数据采集层。整体架构设计如图 1 所示。

数据采集层主要包括各种硬件设备的接入与向平台推送数据的消防传感器。传感器终端将数据发送给系统智能网关， 智能网关再将传感器中的数据推送给Web Service 服务器。

应用服务层作为系统平台的核心，设计了分布式数据库服务器、Web Service 服务器、应用服务器、视频流服务器和控制服务器。主要负责处理传感器的各种数据，接收视频传感器的视频流，用户可以远程控制底层的消防传感器。其中， 消防现场视频摄像头采集的视频数据要求可被实时查看，并在传感器报警时可通过视频图像进行二次判断。用户获取视频流的流程如图 2 所示。

用户访问层的主要用途在于方便用户通过不同终端，如电脑、手机、平板等访问整个应用平台。通过 Web Service 接口调用平台数据，实时查看消防终端视频传感器。

1.2 平台功能

智慧消防监控信息平台的主要功能包括满足各种消防终端传感器的接入，采集各种传感器的数据并进行分析，同时实现数据分享和终端查询显示。平台功能模块包括数据采集模块、设备控制模块、数据显示模块、数据管理模块和数据分析模块，如图 3 所示。

1.3 数据库设计

系统采用MySQL作为后台数据库，使用 2台数据库实现写操作，1台数据库实现读操作。在整个平台中，当用户注册成为平台用户并通过认证后，即可填写自己所住社区的信息，精确选择社区的经纬度，设置场景，注册各种传感器信息， 并将数据推送到平台。注册用户、所属社区、场景和传感器实体的具体逻辑关系如图 4所示。系统涉及的主要数据库表包括用户信息表、社区表、场景表、传感器信息表、传感器数据表、报警统计表等。

2 关键技术分析

2.1 XFire异构化平台通信技术

作为新一代 Web Service 引擎，XFire 是一种面向文档的Java SOAP 框架，方便开发各种面向服务的应用程序 [6]。在Web 服务处理流程中，SOAP 消息作为数据传输过程中的信息载体，而 XFire 建立在基于XML 流的 STAX 机制上，通过管道方式部分加载 XML 文档，从而节省大量的内存空间。XFire 管道处理 SOAP 请求与响应中可添加 Handle 的各个阶段如图 5 所示。

图 5 XFire 中SOAP 消息处理流程

在智慧消防管理系统中，要求必须能够为外部消防系统提供数据访问接口，为移动终端提供外部访问接口，同时必须屏蔽其他平台访问时对于开发语言以及应用环境的限制，从而方便各种硬件传感器向本平台传输数据。基于此，系统采用XFire 作为Web Service 接口开发引擎，从而实现与其他消防平台、手机终端以及硬件传感器的交互，并保证这些数据的可靠性、准确性和及时性。

2.2 Red5视频监控技术

互联网小常识：高端路由器一般用作主干路由器，企业级路由器一般用作汇聚级路由器，低端路由器一般用于接入路由器。从内部结构分类，可以分为固定端口交换机与模块式交换机。

Red5 基于 RTMP 协议传输，具有强大的流媒体处理能力， 其服务器架构主要由 Mina 和 Jetty 服务器核心组件构成。其中Mina 主要用于处理解析 RTMP 协议的内容，Jetty 用来处理客户发送的 HTTP 协议以及 RTMP 协议 [7]。在 Red5 服务器中，针对不同的协议都会在相应的端口号建立 Socket，等待客户端发送的流媒体数据。

消防监控信息服务平台主要用于保证居民财产免遭火灾， 不仅需要实时推送数据给用户以及平台，还需要能够提供给用户便捷的途径来查询整个场景的状况。而 Red5这种基于RTMP协议传输的流媒体服务器可以满足此类要求，RTMP 协议能够实现高效流媒体数据传输，且实时性高，同时 Red5 与整个平台开发环境容易整合。

2.3 BlazeDS消息推送技术

BlazeDS 是一种利用AMS 协议进行通信的消息推送服务技术 [8]，具有远程过程调用服务（RPC Service）和消息服务（Message Service）两个核心功能，其传输消息的通道包括无轮询 AMF 或 HTTP 通道，搭载 AMF 或 HTTP 通道，轮询AMF 或 HTTP 通道，长轮询 AMF 或 HTTP 通道。AMF 和HTTP 流通道模式提供了真正的数据流实时模式。

在整个消防监控信息服务平台中，待用户在平台注册后， 即可订阅报警信息。当其注册的节点发出报警信号后，系统能够主动将该信号推送给整个平台、所属用户以及关联的消防人员。当数据超出正常范围时，相应的信息会主动推送出去。首先发送给WebService，在WebService中进行数据分析与报警判断处理 ；达到相关指标后，向整个平台推送报警信号 ； 服务器收到信号后，推送至指定通道和端点处。消息推送流程如图 6所示。

3 主要功能实现

3.1 数据采集模块实现

互联网小常识：异常检测主要包括基于统计异常检测、基于数据挖掘的异常检测、基于神经网络入侵检测等。

数据采集模块是整个平台数据推送的始源。平台包含有烟雾传感器、气压传感器、视频传感器、湿度传感器等，所传输的数据分为数据流和视频流。利用XFire 发布数据推送服务接口，提供给硬件传感器调用该服务进而向平台推送数据。硬件数据流传感器选择 XML 和JSON 两种数据传输方式， 视频流传感器则通过 RTMP 协议向平台传输流媒体数据。

数据采集模块主要集中在 Web Service 发布的服务接口中，不仅要提供传输的参数，还要完成数据存储、信息推送、报警判断、其他平台数据推送和报警信息推送至平台等任务。

3.2 设备控制模块实现

设备控制模块主要包括我的控制和控制管理两大功能。当传感器发出预警信号时，可以提前控制各设备的工作频率和状态。对于数据流传感器而言，可随时随地设置各传感器的传输频率，视频流传感器可远程控制其开关。

3.3 数据显示模块实现

数据显示模块主要包括我的社区消防场景和信息分享三个子模块。信息分享子模块的主要功能是当多个用户在同一个场景中进行消防传感器安装时，可以查看已安装的传感器，进行资源共享。其实体关系是一个注册用户可以有多个社区，每个社区下面有多个场景，场景中包含各类传感器。

3.4 数据管理模块实现

数据管理模块主要用于对用户个人信息、社区、场景和传感器等信息进行管理。社区管理子模块为用户展示属于该用户的所有注册社区。场景管理子模块提供场景注册方便用户， 包括修改、注销、查询以及添加场景等。账号管理子模块主要提供给用户进行个人信息维护，同时管理员还具有其他功能权限。

3.5 数据分析模块实现

数据分析模块主要为用户提供查询传感器历史数据，分析报警信息等功能。

4 结 语

物联网技术不断发展，消防传感器也更加智能化、多样化。通过物联网技术为社区安全管理提供一种智慧消防管理系统平台，使得各种消防传感器能够更加方便地为用户提供服务， 随时通过手机、电脑查询消防设备最新运行状况，及时获取消防场景火灾情况，从而实现智能预警的目的。本文通过分析社区中的消防需求，设计了智能消防监控服务平台，与多个不同消防平台互相通信，使得不同种类的消防传感器节点能够随时接入平台，最终提供一个通用的消防监控平台。

互联网小常识：交换机与网桥的主要区别是主要功能都采用硬件完成，端口最多128（网桥24）。

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